高光譜遙感技術的介紹及應用

高光譜遙感技術的介紹及應用在20世紀，人類的一大進步是實現了太空對地觀測，即可以從空中和太空對人類賴以生存的地球通過非接觸傳感器的遙感進行觀測。最近幾十年，隨著空間技術、計算機技術、傳感器技術等與遙感密切相關學科技術的飛速發(fā)展，遙感正在進入一個以高光譜遙感技術、微波遙感技術為主要標志的時代。本文簡要介紹了高光譜遙感技術的特點、發(fā)展狀況及其在一些領域的應用。1高光譜遙感簡介1.1高光譜遙感概念所謂高光譜遙感，即高光譜分辨率遙感，指利用很多很窄的電磁波波段（通常<10nm）從感興趣的物體獲取有關數據；與之相對的則是傳統(tǒng)的寬光譜遙感，通常>100nm，且波段并不連續(xù)。高光譜圖像是由成像光譜儀獲取的，成像光譜儀為每個像元提供數十至數百個窄波段光譜信息，產生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質，在高光譜中能被探測。高光譜遙感技術是近些年來迅速發(fā)展起來的一種全新遙感技術，它是集探測器技術、精密光學機械、微弱信號檢測、計算機技術、信息處理技術于一體的綜合性技術。在成像過程中，它利用成像光譜儀以納米級的光譜分辨率，以幾十或幾百個波段同時對地表地物像，能夠獲得地物的連續(xù)光譜信息，實現了地物空間信息、輻射信息、光譜信息的同步獲取，因而在相關領域具有巨大的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。1.2高光譜遙感數據的特點同其他常用的遙感手段相比,成像光譜儀獲得的數據具有以下特點:1）、多波段、波段寬度窄、光譜分辨率高。波段寬度<10nm，波段數較多光譜遙感(由幾個離散的波段組成)大大增多，在可見光和近紅外波段可達幾十到幾百個。如AVIRIS在0.4～214波段范圍內提供了224個波段。研究表明許多地物的吸收特征在吸收峰深度一半處的寬度為20～40nm。這是傳統(tǒng)的多光譜等遙感技術所不能分辨的(多光譜遙感波段寬度在100～200nm之間)，而高光譜遙感甚至光譜分辨率更高的超光譜遙感卻能對地物的吸收光譜特征進行很好的識別，這使得過去以定性、半定量的遙感向定量遙感發(fā)展的進程被大大加快。另外，在成像高光譜遙感中，以波長為橫軸，灰度值為縱軸建立坐標系，可以使高光譜圖像中的每一個像元在各通道的灰度值都能產生一條完整、連續(xù)的光譜曲線，即所謂的“譜像合一”，它是高光譜成像技術的一大特點。2）、由于波段眾多，波段窄且連續(xù)，相鄰波段具有很高的相關性，使得高光數據量巨大(一次獲取數據可達千兆GB級)、相性大，尤其在相鄰的通道間，具有很大的數據冗余3）、光譜分辨率高。成像光譜儀采樣的間隔小，一般為10nm左右。精細的光譜分辨率反映了地物光譜的細微特征，使得在光譜域內進行遙感定量分析和研究地物的化學分析成為可能。4）、空間分辨率較高。相對于MSS(80m)、TM(30m)和SPOT/HRV的多波段圖像(20m)，目前實用成像光譜儀有著較高的空間分辨率，加之其高光譜分辨率的特性，使得該種類型的傳感器具有廣闊的應用前景。2高光譜遙感的發(fā)展2.1高光譜成像技術的發(fā)展及傳感器如果把多光譜掃描成像的MSS(multi2spectralscanner)和TM(thematicmapper)作為遙感技術發(fā)展的第一代和第二代的話，那么高光譜成像(hyperspectralimagery)技術則是第三代的成像技術。美國的成像技術發(fā)展較早，從20世紀80年代至今已經研制了三代高光譜成像光譜儀。第一代成像光譜儀稱航空成像光譜儀AIS，是由美國國家航空和航天管理局(NASA)所屬的噴氣推進實驗室JPL設計，已于1984～1986年裝在NASA的C-130飛機上使用。這是一臺裝有二維、近紅外陣列探測器的實驗儀器，有128個通道，光譜覆蓋范圍從112～214μm,并在內華達Cuprite地區(qū)的應用中取得很好的效果。第二代成像光譜儀稱航空可見光、近紅外成像光譜儀AVIRIS，有224個通基于OSP的方法，并將Kalman濾波器用于線性混合模型中。這種線性分離Kalman濾波器不僅可以檢測到像元內各種特征豐度的突然變化，而且能夠檢測對分類有用的目標特征。Bosdogianni等人利用遙感技術對火災后的森林及生態(tài)環(huán)境進行長期監(jiān)測，建立了高階矩的混和模型，同時他們也提出了利用Houghes變換進行混合像元分類的方法?？傊c高光譜遙感的硬件發(fā)展相比，高光譜數據的處理技術顯得相對滯后。但由于高光譜數據的巨大優(yōu)勢，世界各國都將繼續(xù)加強相關研究。在美國，NASA已把機載AVIRIS作為星載的雛形進行研究，并對高光譜圖像所特有的一些難題，如高數據維的減小、算法復雜性等，進行重點攻關，并已研究出智能化比較高的實用高光譜圖像處理系統(tǒng)，如成像光譜集成軟件包ISIS、為衛(wèi)星和航空高光譜遙感數據處理分析而設計的ENVI影像處理系統(tǒng)、著名的ERDAS影像處理系統(tǒng)等。在20世紀80年代中后期，我國開始著手發(fā)展高光譜圖像處理系統(tǒng)，并積極開展國際合作，承擔了一系列成像光譜技術研究，推動了高光譜遙感在國內的發(fā)展。但總體來看，國內高光譜圖像的應用研究還處于起步階段，大部分集中于成像光譜儀的定標及一些輻射校正研究，目前還沒有比較成形的高光譜圖像處理系統(tǒng)。3高光譜遙感技術的應用高光譜遙感的發(fā)展歷史雖然只有短短二十年的時間,但在很多國家、許多領域已得到了越來越廣泛的應用,尤其是在地質和植被方面,該技術成為對目標地物進行定性,特別是定量研究、調查的一種重要手段。3.1高光譜遙感在地質中的應用3.1.1高光譜礦物精細識別包括對礦物亞類的識別、礦物組成成分探測、礦物豐度信息提取等礦物微觀信息的探測。研究礦物光譜的精細特征與礦物微觀信息之間的關系，不僅可以增加礦物識別的種類，還將直接反演地質成生環(huán)境。同時，通過高光譜礦物精細識別將具有地質指示意義的特征物質條件有機地聯(lián)系起來，更好地促進高光譜技術在基礎地質、礦產資源評價與礦山污染監(jiān)測等領域的深入應用。3.1.2在高光譜分辨率下，能夠容易檢測礦物光譜隨某些特定元素（比如AlCa等）含量的增加而發(fā)生漂移的現象，并可能以此特征光譜作為變量來表征礦物中化合物的含量。在地質作用過程中，礦物組成元素發(fā)生類質同象置換，如白云母類Al與(Fe、Mg)置換，生成鈉云母、白云母、多硅白云母及富Al或Al白云母。綠泥石和黑云母類發(fā)生Fe2+與Mg置換、赤鐵礦和褐鐵礦中Al與Fe3+置換、堿性長石中Na與K置換、斜長石中Ca與Na置換等，造成礦物中某一組成元素失衡。這些表現在光譜特征的細微變化上，對這些細微特征的“捕捉”可以進行相應的識別。3.1.3高光譜遙感被廣泛應用于礦產資源的勘查中主要是通過蝕變帶和蝕變礦物的識別，并結合相的地質資料，找尋潛在的礦產。各類蝕變礦物往往很重要的地質指示作用，對它們的識別和探測有重大的地質意義。3.1.4通過對礦物識別、地質成因等相關信息的提取與組合關系的分析，能夠探討礦床成生過程中的物源、動力過程等，直接判斷可能存在的礦化或礦床信息。這樣，在其他知識的輔助下，可以實現對礦化與成礦遠景區(qū)以及靶區(qū)的圈定?；诘V物特征譜帶參量地質反演模型，通過對光譜最大吸收深度位置的探測來大致地識別巖性分布。3.1.5以現有的巖石礦物光譜庫作為參考光譜，利用高光譜數據可進行有關巖性的識別與分類。中國國土資源航空物探遙感中心和中科院遙感應用研究所在分析了巖礦光譜特征在高光譜地質應用各個環(huán)節(jié)中的作用和影響之后，采用HyMap對新疆東天山地區(qū)進行高光譜圖像數據獲取。通過輻射校正、幾何校正等圖像預處理和MNF變換增強不同巖類分布的信息，基于色調的影像光譜和標準庫光譜，區(qū)分出花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖、輝綠玢巖、基性火山巖、火山碎屑巖、正常沉積巖等巖體地層巖性單位。高光譜最大的優(yōu)勢在于利用有限細分的光譜波段再現像元對應地物目標的光譜曲線。在參考光譜與像元光譜組成的二維空間中，基于整個譜形特征的相似性概率的大小，能有效地避免巖石礦物光譜漂移或光譜變異造成的單個光譜特征的不匹配，并能綜合利用弱的光譜信息在對光譜數據庫中巖石礦物光譜特征分析總結的基礎上，結合礦物端元選擇，利用光譜匹配等方法識別出綠泥石、綠簾石、云母類、白云母、高嶺石、鹽堿化、方解石等礦物。其中，綠泥石與綠簾石分布在研究區(qū)的中部，與地層的分布趨勢相一致，可能為區(qū)域蝕變所致；云母類主要分布在地層及一些花崗巖體中；碳酸鹽巖呈條帶狀或線狀沿構造帶近東西向展布蒙脫石分布在一些白板地；鹽堿化分布在一些干枯的小河溝中。在上述礦物識別中，無論是光譜角度制圖技術還是光譜匹配和混合光譜分解，都存在對非端元礦物信息的分割。因此閾值的選擇是面臨的一個重要問題，這不僅關系到所識別礦物的可靠度，也關系到礦物分布范圍大小的界定。同時由于是分航帶提取不同航帶之間并非精確的大氣校正使同一地物的光譜特征存在差異，盡管最大程度地降低或減弱了圖像邊緣的光譜特征畸變，但所提取的礦物空間展布特征的一致性仍受到制約，增加了制圖的困難。3.2高光譜遙感在植被研究中的應用在植被中的應用是高光譜的另一個重要的應用。通過遙感確定植物葉子植冠的化學成分來監(jiān)測大氣和環(huán)境變化引起的植物功能的變化。植被中非光合作用組分以前用寬帶光譜無法測量，現在用高光譜對植被組分中非光合作用組分進行測量和分離則較易實現。BoCai利用木質素和纖維素1172μm的特征吸收作為其判別依據，并根據吸收強度作為這類化合物植冠豐度的一個指數；Johnson等人在分析了美國俄勒岡州中西地區(qū)的幾塊林冠上獲取的AVIRI高光譜數據和相應林冠冠層生化特性變化的關系后，指出冠層含氮量和木質素的變化與選擇的AVIRIS波段數據變化存在著一般性對應關系；Maston等使用AVIRIS和小型機載成像光譜儀(CASI)數據證實冠層化學成分攜有多種氣候區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化過程的信息，并建議從高光譜數據中估計此類信息。另外，分辨率遙感數據在大比例尺度內進行森林生態(tài)系統(tǒng)分類，通過植被物理、化學參數實現對植物生化成分(如N、P、K、淀粉、水分、纖維素、木質素等含量)及其物理特征物理量的估測等。其中常用的有：1）、植物的“紅邊”效應：它是位于紅光低谷及紅光過度到近紅外區(qū)域拐點，通過其位置和斜率的特征來體現。是植物光譜曲線最典型的特征，能很好地描述植物的健康及色素狀態(tài)。當植物患病時葉綠素減少，“紅邊”會向藍光方向移動。植物缺水等原因造成葉片枯黃，“紅邊”會向近紅外方向移動。當植物覆蓋度增大時“紅邊”的斜率會變陡。2）、植被指數：植物葉面積指數LAI，它是植被研究中非常重要的參數，它是估計植物光合作用、葉子凋落、固氮等過程的重要參量，是植物生長模型中的一個非常關鍵的變量，可用來模擬植物的生長過程，估算植物的生產能力及干物質量。歸一化植被指數NDVI，是應用很廣泛的植被指數，它是植物的生長狀態(tài)及其空間分布密度的最佳指示因子，此外還有如光合有效輻射APAR等等。3.3高光譜遙感在海洋中的應用海洋遙感是20世紀后期海洋科學取得重大進展的關鍵技術之一，其主要目的是了解海洋、研究海洋、開發(fā)利用和保護海洋資源，因而具有十分重要的戰(zhàn)略意義。隨著科學技術的發(fā)展，高光譜遙感已成為當前海洋遙感前沿領域。由于中分辨率成像光譜儀具有光譜覆蓋范圍廣、分辨率高和波段多等許多優(yōu)點，因此已成為海洋水色、水溫的有效探測工具。它不僅可用于海水中葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、某些污染物和表層水溫探測，也可用于海冰、海岸帶等的探測。由于海洋光譜特性是海洋遙感的一項重要研究內容，各國在發(fā)射海洋遙感衛(wèi)星前后都開展了海洋波譜特性研究，其中包括大量的海洋光譜特性測量研究。在早期的海洋遙感應用中，所使用的傳感器波段少，已滿足不了現代定量遙感應用研究的需要。隨著中分辨率成像光譜儀的應用，不僅促進了高維數據分析方法的研究，也將促進海洋高光譜特性研究的發(fā)展，可以更準確地了解海洋光譜結構，識別海水中不同物質成份的光譜特征，掌握近岸水域光學參數的分布、變化規(guī)律，為海洋遙感應用和海洋光學遙感器評價提供可靠的依據。3.4高光譜遙感在大氣和環(huán)境研究中的應用大氣中的分子和粒子成分在太陽反射光譜中有強烈反應，這些成分包括水汽、二氧化碳、氧氣、臭氧、云和氣溶膠等。其中水汽是主要的吸收成分，有大量的方法用于分析水汽。這些方法通常都是估算940nm水汽吸收強度與大氣中總水柱豐度的關系。在國內，劉金濤等人提出了一套高光譜分辨率激光雷達系統(tǒng)，用于同時測量大氣風和氣溶膠的光學性質，該系統(tǒng)可以分離大氣氣溶膠和分子散射，可以直接反射出大氣的后向散射比和氣溶膠的后相散射系數，同時采用雙邊緣監(jiān)測技術，可以獲得高精度的大氣風速信息。對于冬季覆蓋北半球面積30%以上的冰雪，通過成像光譜的模擬試驗，特別是110～113μm光譜范圍的波段，可以獲得對冰雪粒徑大小的識別，Ann等人利用航空成像光譜儀AVIRIS中心在1103μm的波段與冰雪顆粒關系進行冰雪顆粒填圖，并提出波段面積標尺法，解決了信號建立在單波段上易受到傳感器噪聲影響的缺點。3.5高光譜遙感在軍事上的應用高光譜影像由于其具有的豐富地面信息，從一開始就被應用于軍事領域，并在實際應用中表明這種光譜成像技術在軍事上具有很高的應用價值，因而軍用衛(wèi)星上采用這種遙感器的趨勢正在快速增長。在軍事偵察、識別偽裝方面，它能夠根據目標與偽裝材料不同的光譜特性，利用成像光譜儀可以從偽裝的物體中自動發(fā)現目標;在調查武器生產方面，超光譜成像儀不但可探測目標的光譜特性、存在狀況，甚至可分析其物質成分，從而可采集工廠產生的煙霧，直接識別其物質成分，判定工廠生產的武器，特別是攻擊性武器。在海軍作戰(zhàn)方面，目前美國海軍設計的超光譜成像儀，可在014